Point-of-Care (PoC) diagnostics are critical for delivering rapid, accurate, and cost-effective healthcare solutions, directly at the patient’s care site. Under this paradigm, timely detection and effective monitoring of pathologic conditions can be achieved without relying on central ized laboratory facilities, which are often inaccessible or impractical, especially in remote or resource-constrained settings. Additionally, by reducing the cost and time associated with sample processing and analysis, PoC instruments can be extremely valuable tools for increas ing healthcare accessibility and affordability, progressing towards the elimination of health inequalities. As the global demand for PoC diagnostics continues to grow, academic research and industry efforts are increasingly focused on applying innovative technologies to this field. In particular, the transposition of molecular biology techniques, such as real-time Polymerase Chain Reaction (qPCR), has shown great promise for enabling rapid and accurate diagnosis of infectious diseases and genetic disorders, while also finding applications in environmen tal monitoring and food safety. In the past few years, STMicroelectronics, a semiconductor manufacturer, has begun investing in this field, developing the Q3-Plus device, a compact and portable platform which enables effective qPCR analyses at the point-of-care. In this thesis, a new paradigm for the fluorescence readout module of this instrument is de signed and implemented. The system architecture integrates a re-engineered optical subsystem, increases the number of available channels, and is based on high-resolution CMOS image sensors, which feature an extended spectral sensitivity range. This setup includes a custom- designed modular array of boards which can independently manage the camera modules, and is controlled by a central supervisor device. A communication protocol is designed ad-hoc to overcome the limitations imposed by existing embedded solutions, enabling high-speed, low-overhead data exchange between a central controller and multiple peripheral camera boards. This includes a conflict-free addressing mechanism, and operates on a reduced number of electrical conductors. A specific machine vision pipeline is devised to process images acquired from different view-points. It corrects perspective distortions, and merges data acquired on separate channels into a coherent fluorescence map for signal quantification. The realized proof of concept of the novel system is finally evaluated with biological experi ments, and compared with the pre-existing setup, demonstrating significant improvements. These results validate the proposed design as an effective, scalable, and flexible solution to be adopted in future revisions of the PoC device under analysis.

La diagnostica Point-of-Care (PoC) è fondamentale per fornire soluzioni sanitarie rapide, accurate ed economicamente sostenibili direttamente presso il luogo di cura del paziente. Sec ondo questo modello, molte condizioni patologiche possono essere rilevate tempestivamente e monitorate in maniera efficace senza dipendere da laboratori di analisi centralizzati, che, specialmente in contesti remoti o con risorse limitate, sono spesso inaccessibili o poco pratici. Inoltre, riducendo i costi e i tempi associati all’elaborazione dei campioni, i dispositivi PoC si configurano come strumenti preziosi per migliorare l’accessibilità e la sostenibilità del processo di cura, contribuendo alla lotta contro le disparità sanitarie. Alla luce della crescente domanda per la diagnostica PoC, la ricerca accademica e la pratica industriale si stanno concentrando sull’applicazione di tecnologie innovative in questo settore. In particolare, la trasposizione di tecniche di biologia molecolare, come la reazione a catena della polimerasi quantitativa (qPCR), è un elemento chiave per permettere diagnosi rapide e accurate di malattie infettive e disturbi genetici, trovando anche applicazioni negli ambiti del monitoraggio ambientale e della sicurezza alimentare. STMicroelectronics, azienda produttrice di semiconduttori, negli ultimi anni ha iniziato a investire in questo settore, sviluppando il dispositivo Q3-Plus, piattaforma compatta e portatile che consente di effettuare analisi qPCR direttamente al punto di cura. Questa tesi riguarda la riprogettazione e la reimplementazione del modulo di rilevazione in fluorescenza di questo strumento, basandosi su un paradigma innovativo. La nuova architet tura riprogetta il gruppo ottico del sistema, ne aumenta il numero di canali, e adotta sensori di immagine CMOS ad alta risoluzione, caratterizzati da una gamma di sensibilità spettrale estesa. L’apparato si fonda su una scheda elettronica principale posta a supervisionare un array modulare di elementi periferici, ciascuno in grado di gestire in modo indipendente un sensore CMOS. Si è sviluppato un protocollo di comunicazione ad-hoc per superare le limitazioni imposte dalle soluzioni pre-esistenti, consentendo uno scambio di dati ad alta velocità e bassa latenza tra il controller centrale e le schede-fotocamera satelliti. Questa interfaccia prevede un robusto meccanismo di indirizzamento dei nodi connessi, pur operando su un numero ridotto di conduttori elettrici. Per elaborare immagini acquisite da diversi punti di vista, si è concepito uno specifico algoritmo di visione artificiale, che ne corregge le distorsioni prospettiche e le combina in una mappa coerente del segnale di fluorescenza. Le prestazioni del prototipo realizzato nel condurre esperimenti biologici sono infine esami nate e confrontate con quelle caratteristiche dello strumento di riferimento. Questi risultati confermano che il sistema proposto può essere una soluzione efficace, scalabile, e flessibile da adottare nelle future revisioni del dispositivo PoC in analisi.